Информационно-измерительная система контроля электрического тока и магнитного поля

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к волоконно-оптическим измерительным системам и может быть использована в энергетике, машиностроении, металлургии, нефтегазовой промышленности, сильноточной электронике для контроля электрического тока и магнитного поля. Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в повышении точности измерений и расширении функциональных возможностей. Поставленная задача решается за счет того, что в информационно-измерительной системе контроля электрического тока и магнитного поля в качестве чувствительного элемента использована магнитооптическая ячейка Фарадея, размещенная между поляризатором и анализатором, выход которого соединен с последовательно включенными вторым волоконным световодом, фотодиодом, усилителем, аналого-цифровым преобразователем и микроконтроллером, к которому подключены печатающее и записывающее устройства, жидкокристаллический индикатор и клавиатура управления. В отличие от прототипа, в качестве чувствительного элемента использована магнитооптическая ячейка Фарадея, размещенная между поляризатором и анализатором, выход которого соединен с последовательно включенными вторым волоконным световодом, фотодиодом, усилителем, аналого-цифровым преобразователем и микроконтроллером, к которому подключены печатающее и записывающее устройства, жидкокристаллический индикатор и клавиатура управления.

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к волоконно-оптическим измерительным системам и может быть использована в энергетике, машиностроении, металлургии, нефтегазовой промышленности, сильноточной электронике для контроля электрического тока и магнитного поля.

Известно информационно-измерительное устройство контроля электрического тока и магнитного поля (авторское свидетельство СССР 1383267, кл G01R 3/032, 1988), содержащее источник когерентного оптического излучения, чувствительный элемент из волоконного световода, навитого на цилиндр из магнитострикционного материала с щелевидным разрезом вдоль образующей, фотодетектор и блок обработки сигнала.

Недостатком данного устройства является его относительная громоздкость и недостаточно высокая точность вследствие деформации цилиндра из магнитооптического материала под действием колебания температуры окружающей среды, а, следовательно, волоконного световода, намотанного на цилиндр. В результате изменяется оптическая длина пути, что приводит к изменению фазового сдвига, регистрируемого блоком обработки сигнала.

За прототип принято информационно-измерительное устройство контроля электрического тока и магнитного поля (патент US, 5463212, кл. G01R 1/04, 1996), содержащее последовательно соединенные источник оптического излучения в виде лазера или лазерного диада, волоконный световод, поляризатор, анализатор, приемник оптического излучения в виде фотодиода.

Недостатком данного устройства является недостаточно высокая точность измерений вследствие колебания температуры и изменения длины волны источника оптического излучения, а также ограниченные функциональные возможности из-за отсутствия устройств обработки, хранения, записи и отображения информации об измеряемых величинах магнитного поля и электрического тока.

Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение точности измерений и расширение функциональных возможностей.

Поставленная задача решается тем, что в информационно-измерительной системе контроля электрического тока и магнитного поля, содержащей последовательно соединенные источник оптического излучения в виде лазера или лазерного диода, волоконный световод, поляризатор, анализатор, приемник оптического излучения в виде фотодиода, в отличие от прототипа, в качестве чувствительного элемента использована магнитооптическая ячейка Фарадея, размещенная между поляризатором и анализатором, выход которого соединен с последовательно включенными вторым волоконным световодом, фотодиодом, усилителем, аналого-цифровым преобразователем и микроконтроллером, к которому подключены печатающее и записывающее устройства, жидкокристаллический индикатор и клавиатура управления.

Сущность изобретения поясняется чертежом. На фигуре, приведена структурная схема заявляемой информационно-измерительной системы контроля электрического тока и магнитного поля.

Система содержит последовательно оптически соединенные источник оптического излучения в виде лазера или лазерного диода 1, волоконный световод 2, поляризатор 3, магнитооптическую ячейку Фарадея 4, анализатор 5, волоконный световод 6, приемник оптического излучения в виде фотодиода 7. Выход фотодиода электрически соединен с последовательно включенными усилителем 8, аналого-цифровым преобразователем 9 и микроконтроллером 10, содержащим микропроцессор. К выходу микроконтроллера подключены печатающее 11 и записывающее 12 устройства, обеспечивающие распечатку и запись информации об измеряемых магнитных полях и электрических токах.

Подключенный к микроконтроллеру жидкокристаллический индикатор 13 отображает контролируемые токи и магнитные поля. Соединенная с микроконтроллером клавиатура управления 14 обеспечивает управление микроконтроллером.

Заявляемая информационно-измерительная система работает следующим образом.

При прохождении света, излучаемого источником оптического излучения 1 в виде лазера или лазерного диода, через волоконный световод 2 и поляризатор 3 он становится плоскополяризованным.

При воздействии на магнитооптическую ячейку Фарадея (МОЯФ) 4 магнитного поля, вектор напряженности которого Н совпадает по направлению с плоскополяризованным лучом света, происходит поворот плоскости поляризации света на угол фарадеевского вращения

где V - постоянная Верде, величина которой зависит от типа магнитооптического материала ячейки Фарадея и характеризует активность эффекта Фарадея для данного вещества; L - длина светового пути в МОЯФ.

В МОЯФ из оптически активных ферромагнитных материалов вследствие высокой намагниченности насыщения 4 Мs эффект Фарадея проявляется сильнее. Тогда в зависимости от соотношения между напряженностью внешнего магнитного поля и намагниченностью насыщения угол поворота определяется следующим образом

где _s - угол поворота при Н=4Ms.

В МОЯФ из оптически активных диамагнитных материалов поворот плоскости поляризации происходит за счет не только эффекта Фарадея, но и оптической активности. Поэтому угол поворота будет выражаться суммой

где _A - оптическая активность.

Значение угла поворота по формулам (1)÷(4) преобразуется анализатором 5 в значение интенсивности света, которое определяется по закону Малюса. Далее свет передается волоконным световодом 6 в фотодиод 7. При этом, если установить угол между поляризатором и анализатором 45°, то световая мощность на поверхности фотодиода находится по формуле

Где Р₀ - мощность света, излучаемого источником оптического излучения, т.е. мощность света при отсутствии магнитного поля.

Выходной ток фотодиода 7 преобразуется в напряжение с помощью преобразователя «ток - напряжение» (обычно сопротивления на входе усилителя), усиливается усилителем 8 ив аналого-цифровом преобразователе 9 преобразуется в цифровой код, который подается в микроконтроллер 10.В жидкокристаллическом индикаторе 13 отображается в цифровом виде значение измеряемого электрического тока или напряженности магнитного поля.

Измерение величины напряженности магнитного поля осуществляется в предлагаемой информационно-измерительной системе непосредственным воздействием магнитного поля на МОЯФ, т.е. посредством прямого метода измерения.

Измерение величины электрического тока осуществляется посредством косвенного метода измерения, когда об измеряемой величине - электрическом токе - судят по напряженности магнитного поля, создаваемого этим током.

По закону полного тока напряженность магнитного поля, создаваемого вокруг проводника с током I на расстоянии R, определяется по формуле

Таким образом, для определения величины тока 1 следует подставить формулу (6) в одну из формул (1)÷(4) в зависимости от используемого оптически активного материала МОЯФ.

Предлагаемая информационно-измерительная система контроля электрического тока и магнитного поля отличается от аналогичных систем более высокой точностью измерений и расширенными функциональными возможностями. Увеличение точности измерений достигается программно-аппаратными средствами: использование программируемого контроллера позволяет исключить погрешности из-за колебаний температуры и длины волны источника оптического излучения.

Расширение функциональных возможностей достигается введением микроконтроллера, печатающего и записывающего устройств, жидкокристаллического индикатора и клавиатуры управления, которые обеспечивают выполнение функций обработки, хранения, отображения информации, печатания ее на бумажный или иной носитель, сброс информации на другие носители в виде дисков, флэшек, перезапись и управление работой микроконтроллера с помощью клавиатуры.

Информационно-измерительная система контроля электрического тока и магнитного поля, содержащая последовательно соединенные источник оптического излучения в виде лазера или лазерного диода, волоконный световод, поляризатор, анализатор, приемник оптического излучения в виде фотодиода, отличающаяся тем, что в качестве чувствительного элемента использована магнитооптическая ячейка Фарадея, размещенная между поляризатором и анализатором, выход которого соединен с последовательно включенным вторым волоконным световодом, фотодиодом, усилителем, аналого-цифровым преобразователем и микроконтроллером, к которому подключены печатающее и записывающее устройства, жидкокристаллический индикатор и клавиатура управления.